KR100814884B1

KR100814884B1 - 배터리 관리 시스템 및 그 구동방법

Info

Publication number: KR100814884B1
Application number: KR1020060100473A
Authority: KR
Inventors: 임계종; 최수석; 이영조; 태용준; 윤한석; 서세욱; 김범규; 박호영
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2006-10-16
Filing date: 2006-10-16
Publication date: 2008-03-20
Also published as: CN101165963B; EP1914559A3; US20080091364A1; EP1914559A2; EP1914559B1; US7680613B2; JP2008099541A; CN101165963A

Abstract

본 발명은 배터리 보호 방법에 관한 배터리 관리 시스템 및 그 구동방법에 관한 것이다.

배터리 관리 시스템은 센싱부 및 MCU를 포함한다. 센싱부는 배터리 전류, 배터리 전압 및 배터리 온도를 측정한다. MCU는 배터리 전류 및 전압을 이용하여 SOC 리셋 지점을 판단한다. 배터리 관리 시스템은 SOC 리셋 지점 이후의 전류 적산 결과를 이용하여 과충전을 판단한다.

SOC 리셋, 전류 적산

Description

배터리 관리 시스템 및 그 구동방법{BATTERY MANAGEMENT SYSTEM AND DRIVING METHOD THEREOF}

도1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리, BMS 및 BMS의 주변장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.

도2는 본 발명의 실시예에 따른 MCU(20) 및 보호회로부(70)를 개략적으로 보여주는 도면이다.

도3은 본 발명의 실시예에 따른 시간과 SOC관계를 개략적으로 보여주는 그래프이다.

본 발명은 배터리 관리 시스템(Battery Management System)에 관한 것으로, 특히, 전기 에너지를 이용하는 자동차에 사용될 수 있는 배터리 관리 시스템 및 그의 구동방법에 관한 것이다.

가솔린이나 중유를 주연료로 사용하는 내연 엔진을 이용하는 자동차는 대기오염 등 공해발생에 심각한 영향을 주고 있다. 따라서 최근에는 공해발생을 줄이기 위하여, 전기 자동차 또는 하이브리드(Hybrid) 자동차의 개발에 많은 노력을 기울 이고 있다.

전기 자동차는 배터리(battery)에서 출력되는 전기에너지에 의해 동작하는 배터리 엔진을 이용하는 자동차이다. 이러한 전기 자동차는 충방전이 가능한 다수의 2차 전지(cell)가 하나의 팩(pack)으로 형성된 배터리를 주동력원으로 이용하기 때문에 배기가스가 전혀 없으며 소음이 아주 작은 장점이 있다.

한편, 하이브리드 자동차라 함은 내연 엔진을 이용하는 자동차와 전기 자동차의 중간 단계의 자동차로서, 두 가지 이상의 동력원, 예컨대 내연 엔진 및 배터리 모터를 사용하는 자동차이다. 현재에는, 내연 엔진과 수소와 산소를 연속적으로 공급하면서 화학반응을 일으켜 직접 전기 에너지를 얻는 연료 전지를 이용하거나, 배터리와 연료 전지를 이용하는 등 혼합된 형태의 하이브리드 자동차가 개발되고 있다.

이와 같이 전기 에너지를 이용하는 자동차는 배터리의 성능이 자동차의 성능에 직접적인 영향을 미치므로, 각 전지 셀의 성능이 뛰어나야 할 뿐만 아니라 각 전지 셀의 전압, 배터리의 전압 및 전류 등을 측정하여 각 전지 셀의 충방전을 효율적으로 관리할 수 있는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, 이하 BMS)이 필요하다.

그러나 종래 배터리 보호 방법은 주로 배터리 전압과 임계 전압 범위를 비교하여 과충전을 판단하였기 때문에, 배터리 전압 검출 회로에 이상이 발생했을 때 지속적인 과충전이 생길 수 있는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 급격한 배터리 전압 변화 혹은 배터리 전압 검출 회로에 고장이 발생할 수 있는 배터리의 상태를 고려하여 보다 정확 하게 과충전을 검출하여 배터리를 보호하는 배터리의 관리 시스템 및 그 구동방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 한 특징에 따른 배터리 관리 시스템에 사용되는 배터리를 보호하는 시스템에 있어서, 배터리 전류, 배터리 전압 및 배터리 온도를 측정하는 센싱부, 및 상기 배터리 전류 및 전압을 이용하여 SOC 리셋 지점을 판단하는 MCU를 포함하고 SOC리셋 지점 이후의 전류 적산 결과를 이용하여 과충전을 판단한다. 여기서 SOC 리셋 지점은 배터리 전류 및 배터리 전압에 대응하는 것을 특징으로 한다. 그리고 MCU는 상기 SOC 리셋 지점을 감지하면, 현재 전류 적산 값을 전달하는 SOC산출부, 상기 현재 전류 적산 값을 전달받아 상기 배터리 전류를 이용하여 전류 적산하고, 전류 적산 값이 설정된 배터리 정격 용량에 도달하면 과충전으로 판단하는 만충전 판단부를 포함한다. 상기 과충전으로 판단되면, 메인스위치를 턴 오프 시켜, 상기 배터리와 동력장치와의 연결을 컷 오프 하는 보호회로부를 더 포함한다.

본 발명의 다른 특징에 따른 배터리 관리 시스템에서 사용되는 배터리 보호하는 구동방법에 있어서,

a) SOC 리셋 지점을 감지하는 단계,

b) 상기 SOC 리셋 지점에 도달하여 리셋이 필요하면, SOC 리셋 지점에 대응하는 전류 적산 값으로부터 배터리 정격 용량에 도달할 때까지 전류 적산하는 단 계,

c) 상기 b)단계에서, 전류 적산 결과와 상기 배터리 정격 용량을 비교하는 단계, 및

d) 상기 c)단계에서 비교결과 상기 전류 적산 결과와 상기 배터리 정격 용량이 동일하면, 과충전으로 판단하는 단계를 포함한다. 그리고 상기 d)단계는 과충전으로 판단되면, 배터리의 충전을 멈추는 단계를 더 포함한다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 “전기적으로 연결“되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를”포함“한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리, BMS 및 BMS의 주변장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 자동차 시스템은, BMS(battery management system)(1), 배터리(2), 전류센서(3), 냉각팬(4), 퓨즈(5), 메인 스위치(6), MTCU(Motor Control Unit, 7), 인버터(8) 및 모터제너레이터(9)를 포함한다.

먼저, 배터리(2)는 복수의 전지 셀이 서로 직렬로 연결된 복수의 서브팩(2a ~ 2h), 출력단자(2_OUT1), 출력단자(2_OUT2) 및 서브팩(2d)과 서브팩(2e) 사이에 마련되는 안전스위치(2_SW)를 포함한다. 여기서 서브팩(2a ~ 2h)은 예시적으로 8개로 표시되고 서브팩은 복수의 전지 셀을 하나의 그룹으로 표시한 것에 불과한 것이고, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 안전 스위치(2_SW)는 서브팩(2d)과 서브팩(2e) 사이에 마련되는 스위치로서 배터리를 교체하거나 배터리에 대한 작업을 수행할 때 작업자의 안전을 위하여 수동적으로 온 오프할 수 있는 스위치이다. 본 발명에 따른 실시예에서는 서브팩(2d)과 서브팩(2e) 사이에 안전 스위치(2_SW)를 포함하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 출력단자(2_OUT1) 및 출력단자(2_OUT2)는 인버터(8)에 연결된다.

전류센서(3)는 배터리(2)의 출력전류 량을 측정하여 BMS(1)의 센싱부(10)로 출력한다. 구체적으로 전류센서(3)는 홀(Hall) 소자를 이용하여 전류를 측정하고 측정된 전류에 대응되는 아날로그 전류 신호로 출력하는 Hall CT(Hall current transformer)일 수 있다.

냉각팬(4)은 BMS(1)의 제어신호에 기초하여 배터리(2)의 충방전에 의해 발생할 수 있는 열을 냉각하여 온도 상승으로 인한 배터리(2)의 열화 및 충방전 효율의 저하를 방지한다.

퓨즈(5)는 배터리(2)의 단선 또는 단락에 의해 과전류가 배터리(2)에 전달되 는 것을 방지한다. 즉 과전류가 발생하면 퓨즈(5)는 단선 되어 과전류가 배터리(2)에 전달되는 것을 차단한다.

메인 스위치(6)는 과충전, 과방전 및 고온 등 이상 현상이 발생하면 BMS(1), 자동차의 MTCU(Motor Control Unit)(7)의 제어신호에 기초하여 턴 오프되고, 배터리(2)와 모터제너레이터(9)와의 연결을 차단한다. 이하, 배터리(2)와 모터제너레이터(9)와의 연결을 차단하는 것을 컷 오프(cut off)라 한다.

BMS(1)는 센싱부(10), MCU(Micro control unit, 20), 내부전원 공급부(30), 셀밸런싱부(40), 저장부(50), 통신부(60), 보호회로부(70), 파워온리셋부(80) 및 외부인터페이스(90)를 포함한다

센싱부(10) 배터리 전류, 배터리 전압 및 온도를 측정하여 MCU(20) 및 보호회로부(70)에 전달한다. 이하 배터리의 충방전 전류를 간략히 배터리 전류라 한다. 그리고 배터리의 출력단자의 전압은 배터리 전압이라 한다. 또한 배터리는 복수의 셀을 포함하고 있고, 각 셀 온도를 측정하여 평균값을 산출하고 그 값을 배터리 온도라 한다.

MCU(20)는 센싱부(10)로부터 전달받은 배터리 전류 및 배터리 전압에 기초하여 배터리(2)의 충전상태(state of charging, 이하 SOC)를 추정하여 배터리(2)의 상태를 알려주는 정보를 생성한다. 그리고 MCU(20)는 배터리(2)의 상태를 알려주는 정보를 보호회로부(70)로 전달한다. 이때, MCU(20)는 SOC 리셋 조건에 만족하면, 배터리의 전류 적산 값을 이용하여 과충전을 판단하고, 배터리의 충전상태를 제어하는 컷 오프 신호를 보호회로부(70)로 전달한다. 여기서 SOC 리셋 조건은 배터리 전류, 배터리 전압, SOC 및 온도에 대응한다.

내부전원 공급부(30)는 일반적으로 보조 배터리를 이용하여 BMS(1)에 전원을 공급하는 장치이다. 셀밸런싱부(40)는 각 셀의 충전상태의 균형을 맞춘다. 즉, 충전상태가 비교적 높은 셀은 방전시키고 충전상태가 비교적 낮은 셀은 충전시킬 수 있다. 저장부(50)는 BMS(1)의 전원이 오프 될 때, 현재의 SOC, SOH 등의 데이터들을 저장한다. 통신부(60)는 자동차의 MTCU(7)와 통신을 수행한다.

보호회로부(70)는 충전을 제어하는 신호에 따라 과충전을 판단하고, 과충전으로부터 배터리(2)를 보호하기 위한 회로이다. 보호회로부(70)는 판단 결과에 따라, 메인 스위치(6)를 턴 오프 시킨다. 그러면, 자동차 동력장치인 모터제너레이터(9)와 배터리(2)의 연결이 컷 오프(cut off) 된다. 이하, 배터리(2)와 하이브리드 자동차의 동력장치의 연결을 차단하는 것을 컷 오프 라고 한다. 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 동력장치는 모터제너레이터(9)이다.

파워온 리셋부(80)는 BMS(1)의 전원이 켜지면 전체 시스템을 리셋한다. 외부 인터페이스(90)는 냉각팬(4), 메인 스위치(6) 등 BMS의 보조장치들을 MCU(20)에 연결하기 위한 장치이다. 본 실시예에서는 냉각팬(4) 및 메인 스위치(6)만이 도시되었지만 이에 한정되는 것은 아니다.

MTCU(motor control unit, 7)는 차량의 액셀러레이터(accelerator), 브레이크(break), 차량 속도 등의 정보에 기초하여 토크 정도를 결정하고, 모터제너레이터(9)의 출력이 토크 정보에 맞도록 제어한다. 즉, MTCU(7)는 인버터(8)의 스위칭을 제어하여 모터제너레이터(9)의 출력이 토크 정보에 맞도록 제어한다. 또한 MTCU(7)는 BMS(1)의 통신부(60)를 통하여 MCU(20)로부터 전달되는 배터리(2)의 SOC를 전달받아 배터리(2)의 SOC가 목표값(예컨대 55%)이 되도록 제어한다. 예를 들면 MCU(20)로부터 전달된 SOC가 55% 이하이면 인버터(8)의 스위치를 제어하여 전력이 배터리(10) 방향으로 입력되도록 하여 배터리(2)를 충전시키고 이때 배터리 전류는 ‘+’값으로 설정한다. 한편, SOC가 55% 이상이면 인버터(8)의 스위치를 제어하여 전력이 모터제너레이터(9) 방향으로 출력되도록 하여 배터리(2)를 방전시키고 이때 배터리 전류는 ‘-’값으로 설정한다.

인버터(8)는 MTCU(7)의 제어신호에 기초하여 배터리(2)가 충전 및 방전되도록 한다. 모터제너레이터(9)는 배터리(2)의 전기에너지를 이용하여 MTCU(7)로부터 전달되는 토크 정보에 기초하여 자동차를 구동한다.

이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 배터리의 전압검출 과정을 구체적으로 설명한다.

도2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 MCU(20) 및 보호회로부(70)를 개략적으로 보여주는 도면이다.

도2에 도시된 바와 같이 MCU(20)는 SOC산출부(210) 및 만충전판단부(220)를 포함한다. 그리고 도3은 도2를 설명하기 위한 시간과 SOC 관계를 개략적으로 보여주는 도면이다.

SOC산출부(210)는 SOC 리셋 조건을 감지하여 판단하고, 판단 결과 리셋이 필요한 경우 보호회로부(70)로 현재 전류 적산 값을 전달한다. 본 발명의 실시예에 따른 SOC산출부(210)는 센싱부(10)로부터 전달받은 배터리 전류를 전류 적산하는 방법으로 SOC를 산출하고, 전달받은 배터리 전류, 배터리 전압, 온도 등을 감지하여 SOC 리셋 조건에 해당하는지 판단한다. 도3에 도시되어 있듯이 SOC 85%가 되는 지점 a는 SOC 리셋 조건에 만족하는 지점이다. 그러면 SOC 85% 지점에서 전류 적산에 의한 추정오차를 보정 하기 위하여 강제적으로 리셋하여 전류 적산 값을 구한다. 그리고 SOC산출부(210)는 판단결과 리셋 지점을 초과하면, 현재 전류 적산 값을 만충전판단부(220)로 전달한다.

만충전판단부(220)는 현재 전류 적산 값을 전달받아 센싱부(10)로부터 전달받은 배터리 전류를 이용하여 전류 적산을 하고, 전류 적산 값이 설정된 배터리 정격 용량에 도달하면 충전을 제어하는 컷 오프 신호를 보호회로부(70)로 전달한다. 여기서 배터리 정격 용량은 배터리를 만충전 한 후 특정 전류 1C-rate로 방전했을 때 방전한 전하량을 말한다. 그리고 1C-rate는 단위시간당 배터리 용량 전체를 충전 또는 방전시킬 수 있는 전류의 세기를 의미한다. 본 발명의 실시예에 따른 만충전판단부(220)는 SOC산출부(210)로부터 현재 전류 적산 값을 전달받고 센싱부(10)로부터 배터리 전류를 전달받아 전류 적산하는 방법으로 전류 적산 값을 설정한다. 그리고 만충전판단부(220)는 도3에 도시되어 있듯이 SOC 100%가 되는 지점b인 배터리 정격 용량에 도달하면, 과충전으로 판단하여 배터리 용량을 보호하기 위해 충전을 제어하는 컷 오프 신호를 보호회로부(70)로 전달한다.

보호회로부(70)는 만충전판단부(220)로 부터 컷 오프 신호를 전달받아, 메인 스위치(6)를 턴 오프 시킨다. 그러면, 자동차 동력장치인 모터제너레이터(9)와 배터리(2)의 연결이 컷 오프 된다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 보호 방법에 관한 배터리 관리 시스템 및 그 구동방법에 따르면, SOC를 산출하여 배터리 전류, 배터리 전압, 온도 등을 감지하여 SOC 리셋 지점에 해당하는지 판단한다. 그리고 리셋 조건에 만족하면, 현재 전류 적산 값에 배터리 전류를 이용하여 전류 적산하고 산출된 전류 적산 값이 배터리 정격용량에 도달하면 과충전으로 판단하여 배터리를 보호한다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

본 발명의 한 특징에 따르면, 전류 적산 값을 이용하여 과충전을 판단할 수 있는 배터리 관리 시스템 및 구동방법을 제공한다.

따라서 배터리 전압 검출 회로에 이상 및 급격한 배터리 전압 변화에 의한 지속적인 과충전을 방지할 수 있는 배터리 관리 시스템 및 구동방법을 제공한다. 또한, 안정적이고 정확하게 배터리의 과충전을 방지할 수 있다.

Claims

배터리 전류, 배터리 전압 및 배터리온도를 측정하는 센싱부; 및

상기 배터리 전류 및 전압을 이용하여 SOC 리셋 지점을 판단하며, 상기 SOC 리셋 지점 이후의 전류 적산 결과를 이용하여 과충전을 판단하는 MCU를 포함하며,

상기 MCU는,

상기 SOC 리셋 지점을 감지하면, 현재 전류 적산 값을 전달하는 SOC산출부, 및

상기 현재 전류 적산 값을 전달받아 상기 배터리 전류를 이용하여 전류 적산하고, 전류 적산 값이 설정된 배터리 정격 용량에 도달하면 과충전으로 판단하는 만충전판단부를 포함하는 배터리 관리 시스템
제1항에 있어서,

상기 SOC 리셋 지점은 배터리 전류 및 배터리 전압에 대응하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
삭제
제1항에 있어서,

상기 과충전으로 판단되면, 메인스위치를 턴 오프 시켜 상기 배터리와 동력장치와의 연결을 컷 오프 하는 보호회로부를 더 포함하는 배터리 관리 시스템.
배터리 관리 시스템의 구동방법에 있어서,

SOC 리셋 지점을 감지하는 단계,

상기 SOC 리셋 지점에 도달하면, 상기 SOC 리셋 지점에 대응하는 전류 적산 값으로부터 배터리 정격 용량에 도달할 때까지 전류 적산하는 단계,

상기 전류 적산 결과와 상기 배터리 정격 용량을 비교하는 단계, 및

상기 전류 적산 결과와 상기 배터리 정격 용량이 동일하면, 상기 배터리의 과충전으로 판단하여 상기 배터리의 충전을 멈추는 단계를 포함하는 배터리 관리 시스템의 구동방법.
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